Белые чугуны. Влияние примесей и легирующих элементов.

Известен ряд литейных сплавов, обладающих высокой износостойкостью, но наибольшее распространение получили белые чугуны, обла­дающие рекордной износостойкостью в условиях абразивного износа.

Промышленные белые чугуны являются многокомпонентными же­лезоуглеродистыми сплавами, содержащими постоянные компоненты п примеси (кремний, марганец, фосфор, серу, азот, водород и кислород), а также различные легирующие компоненты.

Основной базовый компонент белых чугунов — железо — является переходным металлом с электронной структурой ls²2s².2p⁶3s².3p⁶3d⁶4s². Железо — полиморфный металл, при атмосферном давлении до 911 °С имеет ОЦК-упаковку атомов, в интервале 911… 1392 °С — ГЦК и при бо­лее высоких температурах (до температуры плавления) опять восстанан ливается ОЦК-упаковка. Межатомная связь в металлическом железе оце­нивается в 400 кДж/г-атом, плотность — 7,874 г/см³.

Второй базовый компонент белых чугунов — углерод — характеризу­ется распределением электронов 1s²2s²2p². В белых чугунах углерод обеспечивает образование цементита (Fe₃C), характеризующегося ком­плексной межатомной связью и сложной ромбической решеткой, (Fe, Сr)₇С₃ с тригональной решеткой и других карбидов. Параметры плотно- упакованной орторомбической решетки цементита находятся в пределах: а = (4,5144…4,518)-10^-10
м; b = (5,0787…5,0690)-10-¹⁰ м; с = (6,7287… 6,7310)-10^_1° м. Плотность углерода составляет 2,253 г/см³.

Классификация белых чугунов по микроструктуре

Цементит является основной фазой структурных составляющих многих износостойких чугунов. Плотность цементита Fe₃C составляет 7,67 г/см³.

Карбиды — важнейшая составляющая износостойких чугунов, кото­рая в сочетании с другими фазами определяет износостойкость отливок. При затвердевании доэвтектических чугунов вначале кристаллизуется избыточный аустенит, а затем происходит одновременная кристаллизация аустенита и цементита. На первых стадиях роста цементита появля­ются пластины с базисной плоскостью (001). Кристаллы первичного це­ментита имеют форму пластин, что объясняется анизотропией его кри­сталлического строения и сил межатомной связи. Комплексный характер межатомной связи и слоистая структура цементита обусловливают анизотропию свойств в белом чугуне.

Содержание легирующих элементов в износстойких отливках белых чугунов

Такие элементы как углерод, водород и азот образуют с железом растворы внедрения, а кремний, марганец, хром, фосфор и многие другие компоненты — твердые растворы замещения. Природа матричной фазы эвтектики в заметной степени определяет свойства белого чугуна. Образование таких эвтектик, в которых ведущая карбидная фаза образует мат­рицу колоний, подобную ледебуриту обычного белого чугуна, обуслов­ливает повышенную хрупкость отливок.

Углерод с марганцем связывается в карбиды Мп₃С, Мп₇С₃
и Мп₂₃С₆, причем карбид Мп₃С изоморфен с карбидом Fe₃C и образует с ним твердые растворы. На диаграммах состояния сплавов Fe-Mn видно, что эти металлы дают непрерывный ряд твердых растворов. Марганец способствует стабилизации аустенита и цементита в белых чугунах. Коэффициент распределения марганца между аустенитом и цементитом практически не зависит от содержания его в сплаве в интервале 0,81… 16,0 %.

Кинетические диаграммы кристаллизации износостойкого чугуна с содержанием 0,76…4,68 % марганца, до 2,94 % кремния и до 4,26 % углерода показывают, что с повышением содержания марганца (начиная с 0, 76 %) линия начала образования цементита полностью перекрывает линию начала выделения графита, выклинивая область существования

серых чугунов. Марганец увеличивает количество центров кристаллиза­ции и скорость роста кристаллов цементита из эвтектической жидкости. При повышенном содержании C+Si в толстостенных отливках выделяется силикокарбид (Fe, Mn)₇SiC₂ и уменьшается количество цементита.

Марганец и сера в значительной степени нейтрализуют друг друга. Марганец способствует повышению отбеливаемости чугуна и расширяет температурную область образования половинчатых структур. В отливках из доэвтектического белого чугуна содержание 0,9…2,2 % марганца не оказывает заметного влияния на первичную структуру. В высокомарганцевых чугунах образуются карбиды типа (Fe, Мп)₃С. Морфологический анализ карбидоаустенитной эвтектики белых чугунов с содержанием более 23 % марганца показал наличие комплексного тригонального карбида (Fe, Mn)₇С₃. В отливках из высокомарганцевых чугунов наблюдается образование пластин большой протяженности, что приводит к повышению их хрупкости и появлению стекловидного излома.

Хром — обычный легирующий компонент белых износостойких чугунов. Сопоставление кинетических диаграмм кристаллизации хромистых чугунов, состав которых близкий к эвтектическому, показывает, что увеличение содержания хрома не оказывает заметного влияния на отно­сительное положение линии появления аустенита. С ростом содержания хрома выделение графита затрудняется.

В интервале концентраций хрома 9,5… 12 % цементитно-аустенитная эвтектика (Fe, Сr)₃С + А в первичной структуре чугуна заменяется эвтектикой (Fe, Сr)₇С₃ + А, что вызывает изменения в строении эвтекти­ческих колоний и сказывается на физико-механических и эксплуатацион­ных свойствах белого чугуна. В высокохромистых белых чугунах, как и в нелегированном или низкохромистом, процесс эвтектической кристалли­зации представляет собой совместный рост кристаллов двух фаз при ве­дущей роли карбида, однако в высокохромистом чугуне твердый и хруп­кий тригональный карбид сильно разветвлен в пластичной аустенитной матрице.

Изменение содержания хрома от 1,0 до 9,5 % не сказывается на осо­бенностях первичной структуры белого чугуна; строение ледебуритных колоний, их дифференцировка и ячеистость заметно не изменяются. При содержании хрома от 0 до 9 % чугун имеет временное сопротивление при растяжении 160…260 МПа, при изгибе — 320…470 МПа, стрелу прогиба — 1,68 мм. При повышении содержания хрома в белом чугуне до 14 % те же характеристики возрастают до 340…450 МПа, 720… 770 МПа и 2,28…3,32 мм соответственно. Более значительное увеличе­ние прочности и других конструкционных свойств белого чугуна дости­гается при комплексном легировании доэвтектических расплавов.

В белых чугунах, используемых для изготовления быстроизнашивающихся деталей, во избежание графитообразования в толстостенных отливках содержание кремния не должно превышать 0,6…0,9 %, а со­держание карбидообразующих элементов повышаться до 16…34 %. В ка­честве карбидообразующего элемента для высоколегированных чугунов чаще всего используют хром, высокое сродство которого к углероду обу­словливает образование не только карбидов цементитного типа, но и ус­тойчивых специальных карбидов типа (Fe, Cr)₇C₃, (Fe, Cr)₂₃C₆, (Fe, Сr)₄С и др. Классификация белых чугунов по микроструктуре приведена на рисунке.

При испытании белых чугунов, легированных карбидообразующими элементами, определено, что интенсивность их изнашивания зависит не только от металлической основы, но и от природы и состава карбидов В таблице приведена концентрация карбидообразующих элементов, ис­пользуемых для легирования белых чугунов. Особенно высокое содер­жание легирующих элементов имеют отливки, работающие в экстре­мальных условиях эксплуатации В условиях отсутствия больших ударных нагрузок наилучшим изно­состойким материалом является белый чугун, состав которого выбирают в зависимости от величины реально действующих напряжений, темпера­туры и характера износа. С увеличением нагрузок содержание углерода и фосфора должно уменьшаться.

Наилучшим критерием износостойкости белого чугуна при абразив­ном износе в условиях высоких температур является его горячая твер­дость. Для повышения жаростойкости и жаропрочности такого чугуна наиболее часто используют легирующие элементы: никель, алюминий, хром, ванадий, молибден, вольфрам и др.

Для практических целей по изготовлению литых деталей с повы­шенной износостойкостью и твердостью могут быть рекомендованы вы­сокохромистые чугуны, содержащие 12… 14 % (мае.) хрома.

При введении в чугуны доэвтектического состава все эти элементы повышают прочность и устойчивость ледебурита и перемещают кривые изотермического превращения аустенита вправо, что обес­печивает повышение устойчивости аустенита в износостойких отливках. Естественно, что химический состав сплава, размеры отливок и условия, в которых осуществляется их охлаждение, в значительной мере предо­пределяют степень легированности металлической основы чугуна, его физико-механические и эксплуатационные свойства. Кроме того, эти элементы — активные карбидообразующие металлы.

Износостойкость К и твердость HRC белых чугунов (12… 14 % Сr) в зависимости от содержания углерода

Известны диаграммы кристаллизации, учитывающие влияние олова, Марганца, фосфора, серы, алюминия, хрома, никеля, кальция и комплексных добавок. По кинетическим диаграммам кристаллизации белых чугунов можно судить о процессах, происходящих в реальных условиях затвердивания износостойких отливок, построить термокинетические диаграммы, отражающие полную картину процессов формирования литой (структуры легированных и решить проблему синтеза новых чугунов).

Кинетические диаграммы позволяют детально анализировать роль и легирующих элементов и примесей в процессах структурообразования.

Элементы, увеличивающие отбеливаемость чугуна, можно расположить в порядке возрастания эффективности их влияния: марганец, молибден, хром, ванадий и теллур.

Увеличивают склонность к отбеливанию модифицирующие компомагний, церий и другие РЗМ.

При кристаллизации белого чугуна значительное влияние оказывают элементы, обладающие большим, чем железо, сродством к углероду, такие как титан, цирконий, ниобий и ванадий. Вследствие образования карбидов при легировании расплавов доэвтектического состава этими элементами жидкая фаза обедняется углеродом. При микролегировании чугуна на эти элементы преимущественно связываются в нитриды, что практически не влияет на переохлаждение расплава, и только при пониженном содержании азота в чугуне образуются карбиды.

При низком легировании чугунов, т.е. при повышении содержания карбидобразующих элементов до 1…3 %, отмечается появление карбида границах дендритов и карбонитридов на участках цементита.

Микроструктура легированного чугуна характеризуется очень тонким дендритным строением, а междендритные пространства заполнены тон­кой цементитной эвтектикой и компактными включениями структурно- свободного цементита.

Наиболее высокую твердость (535…712 HV) имеют отливки из белого чугуна, легированного ванадием и титаном. При гидро- и газоабразивном изнашивании такие отливки имеют высокую эксплуатационную стойкость, которая значительно превышает стойкость высокохромистых чугунов. Белые чугуны с содержанием карбидообразующих элементов от 1 до 6 % имеют мелкозернистую структуру и высокое сопротивление истиранию. В отливках с толщиной стенки 30…50 мм временное сопротивление изгибу достигает 750. ..950 МПа, временное сопротивление разрыву 570…720 МПа, твердость — 630…683 МПа. По своему влиянию на механические свойства белого чугуна при введении 3…6 % карбидообра­зующих элементов наименее эффективен цирконий, который заметно снижает динамическую прочность отливок.

Постоянные примеси белого чугуна — сера и фосфор — образуют с железом химические соединения FeS, FeS2 и FeS3, которые в процессе затвердевания существенно влияют на структурообразование. Сера спо­собствует отбеливанию чугуна, увеличивает его усадку и склонность к об­разованию трещин и отрицательно влияет на физико-механические свойст­ва. Износостойкость чугуна с повышением содержания серы уменьшается При содержании в белом чугуне доэвтектического состава более 0,2 % серы отмечается охрупчиваемость литых изделий из-за увеличения количества структурно-свободного цементита и укрупнения размеров сульфида марганца. Особенно низкие значения динамической прочности бе­лого чугуна отмечаются при содержании серы от 0,2 до 0,4 %.

Структура, образующаяся в отливках в процессе затвердевания сплавов Fe-P-C, существенно отличается от железоуглеродистых спла­вов эвтектического типа. Растворимость фосфора в у-железе при темпе­ратурах 400…500 °С составляет 0,50…0,54 %. Фосфид Fe₃P и кристаллы у-раствора образуют эвтектику. Фосфидная эвтектика при низких темпе­ратурах обладает высокой твердостью.

Исследования белых чугунов, содержащих 2,0…2,5 % углерода и 0,7…7,0 % фосфора, показали, что вследствие образования легкоплавкой фосфидной эвтектики снижается температура начала кристаллизации, увеличивается переохлаждение и повышается твердость. При этом со­противление изнашиванию резко уменьшается, так как в процессе абра­зивного износа отдельные включения фосфидной эвтектики легко выкрашиваются.

Износостойкость чугуна при абразивном воздействии зависит от его микроструктуры (микротвердости, формы, взаимного расположения и количества структурных составляющих).

Основные структурные составляющие чугуна располагаются по воз­растанию микротвердости в следующем порядке: графит, феррит, перлит, аустенит, мартенсит, цементит, легированный цементит, специальные карбиды хрома, вольфрама, ванадия и других элементов, бориды.

Износостойкость находится в сложной зависимости от количественного соотношения и распределения твердой и хрупкой фаз, а также сравнительно мягкой и пластичной основы. Металлическая основа должна прочно удерживать твердую составляющую и предотвращать ее хрупкое разрушение.

Микроструктуры доэвтектических износостойких чугунов в отливках, полученных при непрерывно-циклическом литье:

а — наружной зоне литой заготовки; б-в средней зоне; в — во внутренней зоне; г-на расстоянии 3 мм от наружной поверхности заготовки; б — на расстоянии 3 мм от наружной поверхности заготовки из чугуна заэвтектического состава настоящего времени нет однозначного мнения о влиянии на из­носостойкость аустенита. Представляется, что для выяснения влияния структуры сплава на износостойкость чугуна необходимо определить закономерность влияния каждого фактора одной отдельно взятой систе­мы сплавов.

М.Е. Гарбер показал, что некоторые износостойкие чугуны с нестабильной металлической основой могут в определенных условиях изнашивания обладать такой же износостойкостью, как и мартенситные. Так, закаленные образцы из чугуна марки ИЧХ12М с аустенитной основой имеют износостойкость, величина которой колебалась в значитель­ных пределах (К = 6,5… 10), что соответствует износостойкости чугунов с мартенситной основой. Наличие большого количества остаточного аустенита приводит, как правило, к снижению износостойкости в условиях абразивного износа даже при малых углах атаки и отсутствии значитель­ных ударных нагрузок. При значительных ударных нагрузках и повто­ряющихся высоких напряжениях предпочтительной является аустенитная металлическая основа.

В белых износостойких чугунах первичный аустенит устойчивей вторичного, получаемого при аустенизации отливок. Понижение устой­чивости вторичного аустенита объясняется накоплением дефектов кри­сталлического строения при фазовых превращениях в твердом состоянии и меньшей концентрацией углерода. Низкоуглеродистые белые чугуны можно подразделить по признаку повышения износостойкости на сле­дующие группы: с уменьшенным объемом бывших аустенитных участ­ков и увеличенным количеством эвтектики; с увеличенной микротвердо­стью в бывших аустенитных участках; с наиболее высокой твердостью бывших аустенитных участков, максимально приближающейся к твердо­сти цементита и со значительным содержанием вторичных карбидов п уменьшенным количеством эвтектики.

Для получения аустенитно-карбидной структуры в хромистых чугу­нах требуется более 23 % хрома, а аналогичная структура в марганцевых чугунах достигается при содержании 7… 10 % марганца. Это объясняет, в частности, тенденцию поддерживать в износостойких чугунах (типа 230X28, 260Х28М5, 280X12М и др.) высокие концентрации карбидообразующих элементов. Несмотря на высокое содержание карбидообразующих элементов, эти чугуны характеризуются низкой износостойкостью в условиях абразивного износа.

Мартенситно-аустенитную основу в белом чугуне можно получить. при значительно меньших концентрациях хрома, но при условии дополнительного легирования никелем, что широко используется на практике при производстве износостойких отливок из чугунов типа нихард. При содержании в белом чугуне до 2,0 % хрома и до 3,0 % никеля получается мартенситно-аустенитная структура с цементитной эвтектикой, обладающая высокой износостойкостью.

В ряде случаев могут быть рекомендованы износостойкие белые чу­гуны, содержащие 12,5…24 % хрома и 8,0… 18,5 % марганца, имеющие хорошую прокаливаемость и высокую относительную износостойкость (К = 8,1… 13,0). Испытания хромомарганцевых чугунов в различных условиях изнашивания показали, что их высокая износостойкость в значительной степени зависит от первоначальной структуры, состоящей из большого количества карбидов и ледебурита в вязкой аустенитно мартенситной основе. Благоприятное влияние на структуру и эксплуатационные свойства износостойких отливок оказывают легирующие элементы, которые уменьшают эвтектичность чугуна (титан, цирконий и др.).

Вам также могут быть интересны статьи:

Комплексно-легированные износостойкие чугуны Влияние легирования и примесей на микроструктуру и свойства оловянной бронзы Легированные чугуны Материалы для трущихся деталей часть 2: бронзы, баббиты. Влияние термообработки на степень упрочнения сплавов Антифрикционные низколегированные чугуны Антифрикционные ковкие чугуны

(Пока оценок нет)

Загрузка...